A Diógenes Santiago Beatriz Arce

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA SIMULACIÓN DE SENSACIÓN TÁCTIL EN UN SIMULADOR DE CIRUGÍA DE PRÓSTATA TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMPUTACIÓN PRESENTA JORGE ROMMEL SANTIAGO ARCE DIRECTOR DE TESIS M.C. MIGUEL ÁNGEL PADILLA CASTAÑEDA CO-DIRECTOR DE TESIS DR. FERNANDO ARÁMBULA COSÍO MÉXICO D.F. 2010

2 A Diógenes Santiago Beatriz Arce II

3 Agradezco al grupo de Imágenes y Visualización del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la UNAM por haberme brindado la oportunidad de colaborar en sus proyectos. Al Dr. Jorge Márquez por su apoyo y valiosos consejos; al Dr. Fernando Arámbula por su tiempo, dedicación y compromiso en la revisión de este trabajo de Tesis; Al M en C. Miguel Ángel Padilla por haberme permitido participar en su investigación y abrir posibilidades de desarrollo personal y profesional. Agradezco especialmente al Ingeniero Sergio Teodoro Vite por sus valiosas observaciones, recomendaciones y por la ayuda técnica que me brindó para la finalización de este trabajo. Agradezco la DGAPA, con su programa de Fortalecimiento a la Docencia a través del Observatorio de Visualización de la UNAM, IXTLI, por brindarme los estímulos económicos necesarios para el desarrollo de mis actividades. Agradezco a Maristmeña y a Tania, con quienes he compartido la emoción y el descubrimiento de crecer, por estar siempre ahí, en los momentos de tristeza y felicidad, los cuales, inefablemente nos llevan a ser mejores seres humanos. III

4 Contenido Introducción. 2 Capítulo 1 Simuladores de Cirugía Simuladores de cirugía de próstata El simulador TURP del Laboratorio de Imágenes CCADET-UNAM 10 Capítulo 2 Computación Háptica Sistemas hápticos en CAS Dispositivos hápticos Fuerza Conceptos generales Tipos de fuerza Fuerza en el simulador Open Haptics Ambientes hápticos Estructura básica de un programa en Open Haptics 29 Capítulo 3 Integración del sistema Protocolo de comunicación TCP/IP Sockets Sockets en Windows Programación concurrente Hilos Posix Hilos Windows en Visual C Pruebas preliminares Fijación de un origen común Integración háptica al Simulador TURP El cliente El servidor 53 Capítulo 4 Versión activa y resultados Modalidades Omni con avance relativo Omni con avance relativo y absoluto 57 Conclusiones y Trabajo a Futuro Conclusiones Trabajo a futuro 61 Referencias bibliográficas 62 1

5 Introducción Dentro de los sistemas de realidad virtual es posible desarrollar simuladores de cirugía, los cuales requieren interacción con el usuario y que el tiempo transcurrido entre el procesamiento de datos de entrada y la información de salida sea lo suficientemente pequeño para utilizarlos durante la simulación. En el campo de la medicina, los simuladores de cirugía aportan muchos beneficios tales como planeación de procedimientos quirúrgicos, asistencia médica, y entrenamiento de habilidades médicas para cirujanos, lo que permite un mejor conocimiento de los aspectos inherentes a cirugías particulares, disminuyendo el riesgo en la integridad y bienestar de los pacientes reales a los que el cirujano se enfrenta en su vida profesional. Entre las características generales de un sistema de cirugía se encuentran aquellas en las que la salida del programa depende de las entradas que suministra el usuario, una de ellas es el tiempo en que se procesan los datos de entrada, el cual debe transcurrir lo suficientemente rápido para generar datos útiles al proceso. El realismo en el despliegue visual es deseable, lo que implica modelos gráficos de buena calidad generados por computadora o en su caso, procesados a partir de imágenes médicas, y se deben considerar señales auditivas que simulen el entorno del procedimiento de una cirugía real, así como la implementación de sensaciones táctiles para lograr una mayor sensación de inmersividad, es decir, crear un entorno en donde el usuario se sienta dentro del mismo, como si las interacciones que experimenta sean las reales. Los primeros intereses en simuladores quirúrgicos se centraban en la navegación dentro de un entorno para visualizar un modelo gráfico que representaba una estructura anatómica, después, se desarrollaron algoritmos para la interacción de un modelo con una herramienta. Últimamente se ha tomado en cuenta la interacción con dispositivos capaces de generar sensaciones táctiles con el objetivo de incrementar el realismo en la simulación y así mejorar las habilidades de quien se entrena. Para ello, dichos dispositivos deben permitir un conjunto de movimientos deseados y los suficientes grados de libertad para lograr replicar o imitar la experiencia de tocar, manipular o percibir objetos dentro de un ambiente virtual o teleoperado [5]. 2

6 Un problema con la simulación de sensaciones táctiles consiste en que los dispositivos comerciales que soportan un despliegue de fuerzas están enfocados en aplicaciones específicas como es el caso de las palancas de mando para videojuegos, por lo que, se han modificado para el desarrollo de otras aplicaciones como la teleoperación e interfaces de propósito general. El sistema de simulación de cirugía de próstata, actualmente en desarrollo por parte del personal adscrito al Laboratorio de Imágenes y Visualización del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, CCADET, de la UNAM, está compuesto por un módulo mecatrónico y por un módulo de software desarrollado con el IDE 1 de DevC++ [3]. El problema central para adaptar un dispositivo de realimentación de fuerzas comercial al sistema de simulación se enfoca en que las aplicaciones para aquel se programan en entornos distintos al de DevC++, tal es el caso de los productos de la compañía Sensable Technologies[25], los cuales utilizan el entorno de desarrollo de Visual Studio [17] y en consecuencia los procesos generados con dichos entornos son incompatibles por los recursos que utiliza cada uno, lo que imposibilita tener sensaciones táctiles en la simulación. En este trabajo se propone una solución para el problema de la comunicación de procesos con recursos no compatibles, la cual consiste en crear las funciones que permitirán interactuar con la información que proporciona un dispositivo háptico, dentro del programa del sistema de simulación, y construir una aplicación que fungirá como servidor de datos, los cuales se utilizarán en el programa ejecutable del simulador de cirugía el cliente e interactuará para enviar de regreso los datos de despliegue de fuerza; para ello es preciso utilizar la funcionalidad del protocolo TCP/IP que hará posible la comunicación entre dichos procesos con base en una arquitectura cliente servidor. Es necesaria también la utilización de la programación concurrente para procesar el ciclo de flujo del dispositivo háptico y de la conexión por medio de la apertura de canales de comunicación en el proceso servidor y en el proceso cliente. Considerando lo anterior, el objetivo principal de este trabajo es el diseño de una interfaz (software) que permita la adaptación de un dispositivo háptico comercial 1 Entorno Integrado de Desarrollo (Integrated Development Environment). 3

7 interfaz mecatrónica basada en un sistema de servomotores controlados por software que transmite una fuerza resultante hacia un usuario al Simulador de Cirugía de Próstata del CCADET. Un segundo objetivo, derivado del anterior es proveer sensaciones táctiles durante la simulación de tal manera que se puedan percibir como si se tocaran objetos reales. El primer capítulo presenta en forma general el campo de estudio de la Cirugía Asistida por Computadora, trata de los simuladores virtuales aplicados a los procedimientos quirúrgicos, muestra algunos simuladores virtuales existentes así como la descripción detallada del Simulador de Cirugía de Próstata del CCADET y su aplicación principal. El capítulo dos contiene la definición de Computación Háptica, área de estudio necesaria para desarrollar e implementar sensaciones táctiles. Después recurre al concepto de fuerza, una clasificación general en el ámbito de la sensación táctil y su relación con la rigidez, variable física que se utiliza en el despliegue de fuerzas por medio de un dispositivo háptico. Al final se describen las características del paquete de desarrollo de OpenHaptics para el dispositivo comercial Omni 2. El capítulo tres aborda los conceptos relacionados con la programación concurrente, el protocolo de comunicación TCP/IP, muestra su uso para lograr la comunicación entre procesos no compatibles para conseguir la adaptación del dispositivo de realimentación de fuerzas y tener sensaciones táctiles durante la simulación quirúrgica. En el capítulo cuatro se describe el sistema integrado con el dispositivo háptico como producto funcional y se presenta un análisis de los resultados obtenidos. Por último, se presentan las conclusiones derivadas de este trabajo de tesis y se sugieren las actividades que pueden desarrollarse a futuro, a partir de esta investigación. 2 Fabricado por SensAble Technologies, Inc.. 4

8 Capítulo 1. Simuladores de cirugía El campo de estudio de la Computación Gráfica es muy amplio. Diferentes disciplinas del conocimiento humano se combinan con técnicas de cómputo para producir aplicaciones que resuelven parte de sus problemas. En Medicina se logran métodos computacionales para modelar y estudiar propiedades físicas, diseñar modelos anatómicos, planear y ejecutar cirugías, diagnosticar, practicar cirugía a distancia, así como la educación y entrenamiento; que en forma genérica se les conoce como Cirugía Asistida por Computadora, CAS (Computer Asisted Surgery) [9]. El Diccionario de la Lengua Española define, en el ámbito de la tecnología, a un simulador como: Aparato que reproduce el comportamiento de un sistema en determinadas condiciones, aplicado generalmente para el entrenamiento de quienes deben manejar dicho sistema [22]. Los simuladores de cirugía son básicamente sistemas asistidos por computadora, desarrollados bajo esquemas de realidad virtual pura, o bien, en combinación con instrumentación y maniquíes, que representan la escena de un procedimiento quirúrgico en particular, con interacción en tiempo real, calidad gráfica de visualización, realimentación de fuerzas, y sonidos ambientales interactivos. Teodoro [33] describe varios casos de simuladores de cirugía y sistemas de realidad virtual aplicados a la medicina. Delinguete [5] menciona tres generaciones de simuladores. La primera generación se enfocaba principalmente en la navegación tridimensional dentro de un sistema de visualización con base en un conjunto de datos anatómicos. La segunda generación se preocupó por modelar las respuestas físicas en una estructura anatómica, representada por modelos gráficos; en este aspecto, se interesaron por la cinemática ósea y por la deformación muscular de tejido humano como consecuencia de la interacción con una herramienta quirúrgica. La tercera generación tomaba en cuenta la naturaleza funcional de los órganos del cuerpo humano y su comportamiento en relación con otros órganos. 5

9 Para lograr una simulación avanzada, es importante considerar los distintos niveles en los que se desarrolla un procedimiento quirúrgico: los niveles geométrico, físico y fisiológico; así como la arquitectura básica de un sistema de simulación, la cual contempla tres módulos: - Módulo de gráficos encargada de los cálculos de deformaciones. - Módulo de cómputo de colisiones y de vectores de fuerza. - Dispositivo de realimentación de fuerzas, el cual provee las posiciones de una herramienta quirúrgica y permite el despliegue de la resultante de fuerza correspondiente en ese instante de tiempo. El sistema de simulación URO Mentor (véase figura 1), desarrollado por la compañía Simbionix [28], se enfoca en el entrenamiento para la endourología 1. Este simulador cuenta con un módulo para la identificación anatómica y para el entrenamiento en la visualización. Provee una serie de herramientas para los procedimientos de esta cirugía en una variedad de casos con una anatomía y padecimientos representativos. Proporciona la simulación de cistoscopia 2 de ureteroscopia 3 y soporta la visualización de agentes de contraste que facilitan la navegación. No simula la resección transuretral de próstata. Figura 1. Simulador de endourología [27]. 1 Conjunto de técnicas de mínima invasión, diagnósticas o terapéuticas, realizadas en el sistema genitourinario a través de los orificios naturales. 2 Examen del interior de la vejiga urinaria. 3 Examen del interior de la uretra. 6

10 1.1. Simuladores de cirugía de próstata. La próstata es un órgano glandular del sistema genito urinario masculino que se localiza en la profundidad de la pelvis, fija entre el pubis por delante, la vejiga por arriba, el recto por detrás y el piso pélvico por debajo (véase figura 2). A partir de los treinta años, el hombre experimenta el crecimiento gradual de dicho órgano hasta que produce trastornos en edades avanzadas. Uno de los padecimientos comunes, alrededor de los cincuenta años es la Hiperplasia Benigna de Próstata, que produce obstrucción e infección de las vías urinarias [1].. Figura 2. Esquema de la próstata y su ubicación [6]. El objetivo del tratamiento de la Hiperplasia Benigna de Próstata es la de aliviar los síntomas, mejorar la calidad de vida y evitar la aparición de complicaciones [1]. El procedimiento quirúrgico, considerado como estándar, para tratar este padecimiento es la resección transuretral de próstata, RTUP, que consiste en la extirpación de tejido adenomatoso mediante su resección endouretral. En la RTU convencional se utiliza un 7

11 generador de corriente monopoloar, corrientes de alta frecuencia que emiten corrientes de corte puro y de electrocoagulación [1], además de un instrumento llamado resectoscopio o resector para realizar los cortes de tejido y la coagulación de vasos rotos. En la figura 3 se muestra un resectoscopio de la firma Olympus. Cuenta con un lente por el cual el médico especialista observa el desarrollo de la cirugía. El cuerpo está formado por un cilindro llamado camisa, que se introduce vía uretra y que lleva en su interior el asa con la cual se realiza el corte y la coagulación de tejido crecido. Tiene también un sistema de drenado el cual facilita la intervención. camisa lente asa de resección sistema de drenado Figura 3. Resectoscopio OES-Pro [19]. Reyes [23] argumenta que el proceso de enseñanza de la RTUP implica una residencia en la especialidad de urología durante cuatro años, de acuerdo con los lineamientos del Sistema Nacional de Salud [23]. Dadas las dificultades que el aprendizaje de RTUP conlleva, se han desarrollado sistemas de simulación para el entrenamiento de las habilidades involucradas. Para Robert Sweet [29], los modelos de simulación de entrenamiento de Resección Transuretral de Próstata son de gran importancia debido a que reducen considerablemente los costos de cirugía y los riesgos, entre los cuales menciona: la incontinencia urinaria, las heridas rectales, las heridas uretrales, las heridas en venas con pérdida de sangre, la disfunción eréctil, entre otros. El procedimiento involucra la habilidad de trabajar en un pequeño espacio tridimensional mientras se recibe retroalimentación visual bidimensional, se requiere que el operador desarrolle habilidades visuales espaciales y motoras, manipular la herramienta, el asa de corte continua y simultáneamente mientras se administra la corriente eléctrica por medio de los pedales [29]. 8

12 El primer simulador de realidad virtual para la RTUP fue descrito por Lardennois en 1990 [29]. A partir de ahí se han desarrollado otros simuladores para entrenamiento de RTUP, como es el caso de UW Virtual TURP Surgical Simulator [32] desarrollado por el Department of Urology and Human Interface Technology Lab (HITL) de la Universidad de Washington, junto con el CREST (Center for Research in Education and Simulation Technologies) de la Universidad de Minnesota, el cual incluye los módulos de Identificación Anatómica, Corte, Coagulación, y Resección Avanzada, así como la retroalimentación de fuerzas mediante un sistema háptico (véase figura 4). El módulo de identificación anatómica devuelve etiquetas verbales como respuesta a la interacción del usuario cuando toca alguna parte de los modelos gráficos. Esta parte prepara la RTUP mediante la simulación de una cistoscopia. El módulo de Corte utiliza un pedal, el cual habilita el corte sobre la malla del modelo gráfico. Una variable de importancia es el tiempo en el cual se realizan los cortes. El módulo de coagulación permite visualizar el sangrado dentro de la próstata con el fin de que el usuario accione un pedal de coagulación para cauterizar la herida. El tiempo es también importante ya que la escena se llena de sangre si no se cauterizan los vasos sanguíneos rápidamente. El módulo de resección avanzada contempla el procedimiento quirúrgico completo para la resección transuretral de próstata. Otro simulador de cirugía para tratar la Hiperplasia Benigna de Próstata fue desarrollado por el laboratorio MIMLab del Imperial College London [11]. Se trata de un sistema híbrido conformado por un módulo de realidad virtual, por un phantom o maniquí de material parecido al tejido humano de la próstata, el cual provee realimentación táctil, y por un registro para evaluar el desempeño del entrenamiento (véase figura 5). Este sistema cuenta con dos modalidades, la primera consiste en determinar el modelo gráfico de la próstata del paciente por medio de imagenología para logar un entrenamiento preoperatorio personalizado. La segunda realiza simplificaciones para entrenamiento general [7]. 9

13 Figura 4. Vistas de las etapas del simulador de cirugía de próstata desarrollado por la Universidad de Washington [32]. Figura 5. A la izquierda: Ejecución del entrenamiento. A la derecha: Phantom usado en el sistema de simulación [11] El simulador RTUP del Laboratorio de Imágenes y Visualización CCADET UNAM. El Simulador de Cirugía de Próstata desarrollado por el grupo del Laboratorio de Imágenes y Visualización del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la UNAM, es un conjunto de bloques funcionales que tienen como objetivo la simulación de condiciones reales en torno al procedimiento quirúrgico, haciendo una 10

14 abstracción de los elementos del mundo real dentro de un entrono virtual [33], y cubre en su primera etapa una interfaz mecatrónica y un ambiente virtual. El primer bloque consiste en un dispositivo mecatrónico que simula el instrumento de cirugía llamado resectoscopio y un protocolo de comunicación serial universal, USB (por sus siglas en inglés), entre dicho instrumento y el ambiente virtual. Su diseño actual contempla un juego de discos que permite los movimientos de giro sobre los tres ejes en un sistema de coordenadas cartesiano derecho y permite los grados de libertad involucrados. En la figura 6 se muestra el sistema mecatrónico, que en adelante se mencionará como la Interfaz Mecatrónica. elemento resectoscópico módulo corredera Figura 6. A la izquierda: discos limitadores de movimiento. A la derecha: vista de la ineterfaz mecatrónica. El elemento resectoscópico simula la camisa, el módulo corredera hace las veces de asa de resección [23]. El desplazamiento sobre el eje z es implementado por medio de una varilla que simula la camisa de la herramienta de resección y que cuenta en su extremo manipulable con un mecanismo que hace las veces del asa de corte del resectoscopio. Las lecturas de los datos necesarios para el movimiento implicado en el proceso quirúrgico se llevan a cabo mediante un sistema electrónico con sensores ópticos [23] y una tarjeta de adquisición de datos con comunicación serial universal, (véase figura 7). Esta información se envía al programa de simulación para tratarlos como coordenadas virtuales de posiciones de la herramienta. Es decir, para realizar un mapeo de coordenadas reales con las coordenadas del entorno gráfico. 11

15 codificador juego de discos codificador codificador camisa codificador Figura 7. Sistema de coordenadas del mecanismo [23]. El segundo bloque se basa en un sistema de gráficos tridimensionales construido con la librería abierta de gráficos, OpenGL [20], y cuenta con un módulo de cálculos usados en algoritmos de deformación de mallas y algoritmos de detección de colisiones. Los modelos anatómicos están construídos a partir de imágenes médicas con algoritmos desarrollados en el Laboratorio de Imágenes y Visualización. En adelante, se hará referencia a este módulo como Programa de Simulación. Figura 8. Derecha: Interfaz mecatrónica. Izquierda: vista del despliegue gráfico. Grupo de Micromecánica y Mecatrónica - Laboratorio de Imágenes y Visualización, CCADET, UNAM El sistema de referencia que ocupa el Programa de Simulación es un sistema cartesiano derecho tridimensional. Se hace una correspondencia con los grados de libertad de la 12

16 Interfaz Mecatrónica para una correcta sincronía entre los movimientos en el espacio real y los gráficos en el espacio virtual. El sistema completo, en adelante Simulador, interactúa con el usuario mediante la siguiente información: - Desplazamiento absoluto. Corresponde con el movimiento sobre el eje z de la camisa o resectoscopio completo. En el ambiente virtual este movimiento simula el avance de la cámara a través de los modelos anatómicos. - Desplazamiento relativo. Es el movimiento que realiza el asa de corte y depende de la posición de la camisa. Durante la simulación se visualiza este modelo gráfico. - Ángulos sobre los ejes cartesianos. Movimientos para mover la camisa junto con el asa. En la navegación se visualiza como movimiento de la cámara situada al final del resectoscopio. - Banderas para respuestas a colisiones. Estas banderas, dependiendo de su estado, habilitan el corte, la coagulación o bien la exploración de los modelos anatómicos. En una segunda etapa, actualmente en desarrollo se trabaja en el mejoramiento de la calidad de visualización, adaptación de sonidos ambientales y de interacción, y la implementación de retroalimentación de fuerzas. En este sentido, Teodoro [33] sostiene: Otra alternativa, actualmente en fase de desarrollo, para la representación del efecto de retroalimentación de fuerzas y el resectoscopio real, consiste en el uso de un dispositivo háptico Justificación. La importancia de integrar un dispositivo háptico al Simulador es obtener un mayor realismo en la simulación del procedimiento quirúrgico en cuestión, ya que provee estimulación táctil, con lo que se logra un mejor entrenamiento para el usuario. 13

17 Delinguete [5] sostiene que existen al menos dos propósitos en la retroalimentación de fuerzas: el que desarrolla la cinestesia 4, la cual provee sensación de movimiento en el usuario; y el cognitivo, cuyo uso ayuda a distinguir texturas al examinar propiedades mecánicas; incrementando de esta manera las habilidades del usuario. Así pues, en los capítulos siguientes se explican los conceptos necesarios para presentar un sistema que provea sensaciones táctiles debido al interés de contar con un Simulador lo más completo y realista posible que ayude al entrenamiento de la resección transuretral de próstata y se muestra el método que se utilizó para resolver los contratiempos que se presentaron durante la programación y el desarrollo de la integración del sistema. 4 La Cinestesia es la percepción del equilibrio y de la posición de las partes del cuerpo. 14

18 Capítulo 2. Computación háptica Háptico háptica es un término que se refiere a la recepción de información por parte del cerebro a través del sentido del tacto. En la literatura relacionada se le conoce como haptics; Hannaford y Okamura [8] mencionan que la raíz es griega, de haptestai, lo relativo al sentido del tacto; Klatzky y Lederman [13] lo implican con la habilidad de sostener algo y manejan un sinónimo utilizado en el ámbito de la medicina, stereognosis. El concepto se extiende hacia la manipulación por medio de interacciones en ambientes reales, virtuales o tele operados; ya sea mediante el ser humano, máquinas, o combinación de ambos, mediante dispositivos mecatrónicos que hacen posible la estimulación táctil: Háptica Humana. Es el estudio de la percepción y la manipulación a través del tacto mediante la cinestesia y los receptores cutáneos, que dan las sensaciones de fuerza, posición y contacto. Háptica Mecánica. Se basa en el diseño, construcción y uso de máquinas para reemplazar o bien, mejorar la manipulación por el sentido del tacto del ser humano. Computación Háptica. Conjunto de algoritmos y software asociado con la generación y despliegue de sensaciones táctiles en objetos virtuales. Las disciplinas que contribuyen al desarrollo de esta área son la Biomecánica, Neurociencia, Psicofísica, Diseño y Control en Robótica, Modelado y Simulación, Matemáticas e Ingeniería de Software; y se puede aplicar a necesidades humanas como diseño de productos, entrenadores y simuladores de procedimientos quirúrgicos y rehabilitación; así como en el entretenimiento, educación, industria, milicia, tecnología asistida para discapacidad visual, videojuegos y arte, entre otras. Se puede describir a la Computación Háptica como un área de investigación en técnicas y procesos asociados con la generación y despliegue de sensaciones y manipulaciones de objetos virtuales hacia un operador humano a través de un dispositivo transmisor de 15

19 fuerzas, es decir, que genera vectores en dirección y magnitud determinados o calculados previamente. Se maneja también, el término de imagen háptica o imagen táctil como sinónimo, de tal manera que puede considerarse también como dispositivo de despliegue de imágenes hápticas. Aun más, al tratarse de una imagen, es posible realizar un render de fuerzas. En el área de estudio del cómputo gráfico esto significa tomar la descripción geométrica de un objeto tridimensional o bidimensional para generar un objeto visible en un monitor [34]; haciendo una analogía, se habla de render háptico o render de fuerzas para contar con una descripción de la imagen táctil a partir de su geometría en el espacio. 2.1 Sistemas hápticos en CAS. Las principales aplicaciones de la computación háptica a la medicina asistida por computadora se centran en la incorporación de sensaciones táctiles a sistemas robóticos para intervenciones quirúrgicas de mínima invasión para lograr la disminución de: fuerzas de contacto del cirujano, consumo de energía, tiempo de ejecución de la intervención y número de errores, entre otros aspectos. En cuanto a sistemas de simulación, hay una amplia variedad de sistemas que se desarrollaron, en un principio, como ambientes de realidad virtual para entrenamiento y que después se mejoraron para asistir operaciones por medio de robots con efectores finales. Tal es el caso del Laparoscopic Impulse Engine, desarrollado por Immersion Corporation [21] cuyo dispositivo de realimentación de fuerzas puede rastrear posiciones con cinco grados de libertad y transmitir fuerzas con tres grados de libertad. Actualmente este motor es parte de una estación de trabajo de cirugía capaz de proveer cinco grados de libertad para despliegue de sensaciones hápticas [30]. Otros casos de simuladores de cirugía para entrenamiento que se mencionan en [30] han adaptado o modificado dispositivos hápticos comerciales para simular sensaciones táctiles en sus ambientes virtuales. En el caso de la rehabilitación médica existen muchos sistemas de realidad virtual con realimentación de fuerzas como el desarrollado por la Johns Hopkins University para rehabilitación de personas con algún grado de daño cerebral [12]. 16

20 2.2 Dispositivos Hápticos Los sistemas de Realidad Virtual que soportan estimulación visual y auditiva para el usuario, proveen buena capacidad de interactuar con el mismo. El hecho de tocar, sentir y manipular objetos, acerca al usuario a sensaciones más reales. Esto se logra mediante interfaces hápticas, las cuales son implementadas por dispositivos físicos con sistemas de servo motores que permiten la interacción con el ser humano. Dichos dispositivos son capaces de generar imágenes táctiles como resultado de manipulaciones en el mundo virtual. Las interfaces hápticas consisten en la experimentación de tocar, manipular y percibir un ambiente real a través de dispositivos mecánicos y el control mediante computación. Los dispositivos hápticos deben ser capaces de proveer los movimientos que interesen al operador humano, esto supone un dispositivo que permita retroalimentación y los grados de libertad de movimiento necesarios para ello. Los algoritmos de render de fuerzas se dividen en detección de colisiones y en respuestas a ellas, con base en posiciones y orientaciones referenciadas a un punto particular del dispositivo háptico, este punto es caracterizado por un efector final, parte del dispositivo háptico que el usuario manipula y sobre el cual se despliegan las resultantes como salida del sistema. Los vectores de fuerza, resultados de cálculos específicos son retroalimentados a través del efector final hacia el usuario. La secuencia de detección de colisiones y respuestas se ejecuta dentro de un ciclo a una frecuencia de un kilohertz aproximadamente para que se genere la sensación táctil en el cerebro del usuario y no se perciban vibraciones al interactuar con los objetos. Un concepto de suma importancia al programar dispositivos hápticos es el ciclo principal, o servo loop. Se trata de una estructura de control de flujo de alta prioridad que se utiliza para el cálculo de fuerzas que se enviarán al dispositivo háptico. Como se mencionó anteriormente, para mantener un despliegue de fuerza coherente, es necesario mantener en ejecución este ciclo a una tasa de 1 khz; para mantener la superioridad jerárquica de este ciclo, se implementa generalmente dentro de una estructura de control de flujo concurrente llamado hilo, y es éste precisamente el servo loop [26]. 17

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